《风电场电气工程 朱永强第六章 风电场的直流输电与功率控制技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风电场电气工程 朱永强第六章 风电场的直流输电与功率控制技术（59页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、风电场电气工程,华北电力大学,第六章风电场的直流输电与功率控制技术,章节设置： 6.1 直流输电技术在风电场并网中的应用 6.2 风电场的无功电压控制 6.3 风电场低电压穿越能力 6.4 风电场的频率特性与有功频率控制,教学目标： 理解柔性直流输电技术及其在风电场中的应用，掌握风电场中无功和电压控制的要求和方法，理解风电场低电压穿越的概念和意义，并了解有关的技术规定，对双馈式感应风电机组的低电压穿越技术有所认识，掌握风电机组的有功和频率特性，理解风电场的有功功率控制策略。,第六章风电场的直流输电与功率控制技术,知识点分布： 柔性直流输电技术及其在风电场中的应用； 风电场无功、电压控制的要求和
2、原则； 风电场无功、电压控制技术； 风电场低电压穿越的概念、意义； 双馈式感应风电机组的低电压穿越技术； 风电机组的有功和频率特性； 风电场的有功功率控制策略,第六章风电场的直流输电与功率控制技术,6.1 直流输电技术在风电场并网中的应用,6.1.1 直流输电概述 6.1.2 基于VSC的柔性直流输电技术 6.1.3 风电场经VSC-HVDC并网的工程应用,6.1.1 直流输电概述,6.1.1.1 直流输电的概念及应用 高压直流（High Voltage Direct Current, HVDC），必须将送端的交流电变换为直流电（称为整流），而到受端又必须将直流电变换为交流电（称为逆变） 直流
3、输电系统结构可分为两端直流输电系统和多端直流输电系统两大类。,6.1.1.1 直流输电的概念及应用,两个换流站的直流侧分别接在直流线路的两端，换流站装有换流器和谐波滤波器，实现交流电和直流电之间的变换。换流器由一个或多个采用三相桥式换流电路的换流桥串联（或并联）组成,6.1.1.1 直流输电的概念及应用,HVDC在远距离大功率输电、海底电缆送电、不同额定频率或相同额定频率交流系统的互联等场合得到了广泛应用。这主要是由于： （1）输送容量和输电距离不受电力系统同步运行稳定性的限制。 （2）不同频率、不同电压等级、非同步运行的电网间互联；不增大断路器遮断容量。 （3）对交流系统的有功和无功平衡起快
4、速调节作用，从而提高交流系统频率和电压的稳定性。,6.1.1.2 直流输电与交流输电的比较,直流线路只需正负两极导线，杆塔结构简单、线路造价低、损耗小，在其线路走廊、铁塔高度、占地面积等方面，也比交流输电优越,电缆绝缘在直流和交流电压作用下的电位分布、电场强度和击穿强度都不相同 交流线路电容电流很大，而直流电缆不存在电容电流，其输电距离将不受限制，有利于进行远距离送电。 直流输电系统两端的换流站设备比交流输电系统中的变电站复杂,6.1.1.2 直流输电与交流输电的比较,直流输电和交流输电相比，换流站的投资比变电站的投资高，而直流输电线路的投资比交流输电线路的投资低 交直流输电的线路和两端设备的
5、总费用相等，这个输电距离称之为交、直流输电的等价距离,6.1.2.1 VSC-HVDC的概念,传统直流输电技术换流器采用的是半控型器件晶闸管因而存在一些固有缺陷。 基于电压源换流器（VSC）的高压直流（简称VSC-HVDC）输电技术采用全控型器件和VSC结合脉宽调制技术（PWM）。这种换流器的功能强、体积小、可减少换流站的设备、简化换流站的结构，也称其为柔性直流输电（HVDC Flexible）或轻型直流输电（HVDC Light）。,6.1.2.2 VSC-HVDC的基本原理,每侧的电压源换流站主要包括：全控换流桥、换流变压器（有时可以由电抗器取代）、直流侧电容器和交流滤波器四部分组成 两侧
6、的换流站通过直流输电线相连或采用背靠背连接方式，一侧工作于整流状态，另一侧工作于逆变状态，两个换流站协调运行，共同实现两侧交流系统间的功率交换。,6.1.2.2 VSC-HVDC的基本原理,忽略换流变压器（或换流电抗器）的电阻时，VSC与交流系统间交换的有功功率和无功功率分别为：,6.1.3 风电场经VSC-HVDC并网的工程应用,瑞典Gotland岛VSC-HVDC工程，其示意图参见教材图6-4,VSC-HVDC的额定传输容量50MW，直流电压 80kV，直流电流350A，输电距离为70km 至2003年，Gotland 岛已有风电装机165台，总装机容量90MW，Gotland岛不断增加的
7、风电并网容量引起了无功电压问题，阻碍了风电场扩容及进一步接入电网,6.1.3 风电场经VSC-HVDC并网的工程应用,丹麦Tjaereborg VSC-HVDC工程，其示意图参见教材图6-5,Tjaereborg工程VSC-HVDC，VSC换流器的交直流转换的核心部件采用的是全控型器件IGBT，采用PWM脉宽调制技术，开关频率1950Hz 示范系统可以运行在以下3种方式：仅通过交流电缆的AC方式；仅通过直流电缆的DC方式；通过交直流电缆的AC与DC混合方式。,交流传输并网方式结构简单，成本低，但是传输距离和容量受限，适合小容量、近距离的海上风电场并网，目前海上风电场由于规模都较小，一般采用交流
8、电缆传输并网方式。但是对于额定容量达到几百兆瓦的大型海上风电场，由于交流电缆对传输容量的限制，采用VSC-HVDC输电技术是一个很好的技术途径。,6.1.3 风电场经VSC-HVDC并网的工程应用,6.2 风电场的无功电压控制,6.2.1 风电场无功电压控制的要求和原则 6.2.2 风电场的无功电压控制技术,6.2 风电场的无功电压控制,在电力系统控制中，无功功率和电压关系非常密切，系统中的无功功率必须保持平衡以确保系统电压在允许的范围内。 不论风电机组为变速型或定速型，并网风电场都会影响电网的无功功率平衡，若电网无功原本就不足，则会扩大电网的无功缺额、恶化无功状况、降低电网电压水平。,6.2
9、.1 风电场无功电压控制的要求和原则,作为并网运行电源，风电场必须满足电网对无功电压调节的一系列规定，详见教材 国内大型风电场接入电网的无功调节原则可归结为，风电机组自身调节与电网补偿相结合，容性无功补偿与感性无功补偿配合应用,6.2.1 风电场无功电压控制的要求和原则,风电场无功补偿的基本原则,正常运行方式下满足无功就地平衡原则 事故方式下满足动态无功平衡和快速无功调节需求,6.2.1 风电场无功电压控制的要求和原则,风电场电压调节的基本原则,（1） 正常运行方式 保持正常运行方式下电网关键节点电压在适当范围，是无功补偿设备的控制目标。 （2） 事故方式下 电网大扰动事故后，风电场并网点电压
10、应以最快速度恢复，并尽可能对电网提供无功支持，加快系统电压恢复。,6.2.1 风电场无功电压控制的要求和原则,无功/电压调节方法,用于风电场并网的常用无功补偿设备有并联电容器和并联电抗器、静止无功补偿器和静止同步补偿器、同步调相机等。 调节有载调压变压器的分接头位置也可以起到调节无功/电压的作用。,6.2.2 风电场的无功电压控制技术,6.2.2.1 并联电容器组/并联电抗器调节方案及应用,风电场无功电压调节最基本的方法：将电容器/电抗器连接成若干组，根据风电场出力水平与电网节点电压变化规律确定每组容量，分组投切，实现无功功率的不连续调节，以保持电网关键节点电压处于适当范围为控制目标。 控制策
11、略为：根据风电场电压的变化，按照确定的步长投退补偿装置。,6.2.2.1 并联电容器组/并联电抗器调节方案及应用,风电场出力受自然风影响波动较大，在某些情况下会对系统原有的无功补偿方案造成影响。 风电场无功/电压调节，除了自身调节外还需要电网补偿方案的配合。 并联电容器/电抗器因为开关合闸速度太慢，电网故障期间不能提供快速无功支持，对维持风电场暂态电压稳定的作用不大。 其它的固有局限性可参见教材,6.2.2.2 静止无功补偿器（SVC）调节方案及应用,SVC是目前电力系统中应用最多、技术最为成熟的动态无功补偿设备，主要应用于提高线路输送容量和提高系统暂态稳定性。 按照并联电容器的投切方式，SV
12、C可分为： 晶闸管控制电抗型无功补偿器（ TCR） 晶闸管投切电容器（TSC） 磁控电抗器 （MCR） SVC应用于风电场的控制目标为：维持风电场并网点高压侧母线电压恒定。,采用SVC补偿方案后，可以减少电网其它节点补偿设备动作次数，提高补偿效率，SVC连续可调的特点保证了不会出现过补偿和欠补偿，实现平缓控制。 相对于SVC在风电场正常运行方式下对无功/电压的调节作用，SVC更大的优势体现在电网大扰动故障后，对维持风电场暂态电压稳定性的作用。,6.2.2.2 静止无功补偿器（SVC）调节方案及应用,6.2.2.3 静止同步补偿器（STATCOM）调节方案及应用,STATCOM的原理示意图,直流
13、侧为储能电容，为STATCOM提供直流电压支撑，逆变器主要功能是将直流电压变换为交流电压，而交流电压的大小、频率和相位可以通过控制电力电子开关的驱动脉冲进行控制。,6.2.2.3 静止同步补偿器（STATCOM）调节方案及应用 设系统电压为 ，STATCOM输出电压为 ，连接电抗为 ， 则STATCOM吸收的电流为 STATCOM吸收的复功率为 STATCOM吸收的有功功率可忽略不计，STATCOM吸收的无功功 率为 当 时，STATCOM吸收的无功功率 ； 当 时，STATCOM吸收的无功功率 。 STATCOM吸收的无功功率可以连续地由正到负快速地调节。,6.2.2.4 SVC与STATC
14、OM的比较 1 动态无功补偿效果和应用 SVC/STATCOM 可以提供动态无功功率用以在暂态过程中支撑 电网交流电压以满足并网要求，能够在几个周波内对交流电 压的变化做出响应，其快速响应特性可以减少系统故障时风 电场电压跌落，增强了风电场的故障穿越能力；抑制电网故 障清除后的过电压，降低由过电压导致的风电场切机的风险。 基于DFIG变速风电机组的风电场也可以通过充分发挥风电机 组自身控制系统的作用，改善风电场的暂态电压特性。,2 SVC与STATCOM的不同特点 （1）无功功率特性。 在系统电压降低时，STATCOM输出的无功功率与系统电压成 比例下降，其输出无功功率的能力比SVC强。 （2
15、）阻抗特性。 SVC接入电力系统后有可能改变原系统的阻抗特性；STATCOM 由于可以等效为可控电流源，接入系统后不会改变系统的阻 抗特性，不存在谐振问题。 （3）谐波问题。 SVC中的TCR部分由于晶闸管的开通会产生谐波；而STATCOM 逆变器输出的电压谐波很低，一般不需要安装滤波器。,（4）响应速度 总的来说SVC和STATCOM响应速度都很快，但STATCOM响应更 快些。 （5）占地面积。 SVC装置采用较大容量的电容器和电抗器，因此整个SVC装置 的占地面积比较大；而STATCOM装置则无需大容量的电容器 和电抗器，占地面积较小。 （6）制造成本 SVC采用一般的晶闸管，而STAT
16、COM采用门极可关断晶闸管及 其它可关断器件，可关断器件的价格比较贵，同容量 STATCOM的成本比SVC成本高。,6.3 风电场低电压穿越能力,6.3.1 大规模风电场具备低电压穿越能力的必要性 6.3.2 国外风电场低电压穿越技术要求 6.3.3 基于DFIG的变速风电机组低电压穿越技术,6.3.1 大规模风电场具备 低电压穿越能力的必要性,风电场的低电压穿越（LVRT）能力，通常是指“当 电力系统事故或扰动引起并网点电压跌落时，在一定 的电压跌落范围和时间间隔内，风电场能够保证不脱 网连续运行的能力”,6.3.1大规模风电场具备低电压穿越能力的必要性 电网大扰动事故后，系统电压可能会出现大幅度的跌落。当 有风电场接入电网时，希望风电场并网点电压能以最快速度 恢复，并尽可能对电网提供无功支持，加快系统电压恢复。 同时电网发生电压跌落对风电场也有负面影响，机械、电气 功率的不平衡影响机组稳定运行，暂态过程导致发电机中出 现过流等,6.3.2 国外风电场低电压穿越技术要求 本小节所
